전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2016.12 Special Feature (p23~30)

「갤럭시 노트7」발화문제의 교훈


「결코 남의 이야기가 아니다. 다른 업체의 스마트폰에서도 같은 일이 일어날 수 있다」(前배터리기술자). 세계의 여기 저기에서 발화사고가 이어져, 2016년 8월의 발매개시로부터 겨우 2개월 정도에, 제조・판매에 몰린 한국 삼성 전자의 스마트폰「갤럭시 노트7」쇼크가 전자업계 전체를 뒤흔들고 있다. 아직까지 그 원인이 확실하지 않기에,「부재(部材) 업체, 단말기 업체, 전자부품 업체로부터 평가용으로 갤럭시 노트7 실물의 샘플의뢰가 끊이질 않는 상황이다」(전자기기 조사회사관계자). 이런 문제는 왜 일어나는 것일까? 또한, 전자업계에 어떤 교훈을 남기고 있는가?

한국 삼성전자의 스마트폰「갤럭시 노트7」발매로부터 얼마 지나지 않은 2016년 8월 24일, 한국의 온라인 커뮤니티 사이트에「충전 중에 갤럭시 노트7이 폭발했다」라는 글과 함께 사진이 올라왔다. 사진의 단말기는 좌측 절반이 타서 눌러 붙어있었고, 액정도 산산조각이 나 있었다. 그 후, 각지에서「갤럭시 노트7의 2차배터리로부터 발화되었다」라는 사진이 온라인상에 등장, 당사는 단말기를 회수하여 원인조사에 착수했다.

2016년 9월2일, 삼성전자는 발화의 원인에 대하여「갤럭시 노트7의 2차배터리에 문제가 있었다」라고 발표하고,「갤럭시 노트7에는 한국 삼성 SDI사와 홍콩 Amperex Technology (ATL)사의 리튬(Li)이온 2차배터리를 사용하고 있었으나, 삼성 SDI사의 2차배터리에서 문제가 발생하였다. 셀 내부의 극판이 눌려져, 부극과 정극이 접촉, 과열되었다」라고 설명했다. 삼성 SDI사는 휴대기기 및 전기자동차, 전력저장용 대용량 스토레이지(Storage) 등의 리튬이온 2차배터리를 취급하는 대형 제조사이다. ALT사는 TDK가 2005년에 매수한 제조사이다.

-- 2차 배터리의 변경 --
삼성전자는 갤럭시 노트7의 2차배터리의 전부를, 문제가 없다고 판명된 새로운 배터리로 교체하여 새롭게 제조, 이미 판매가 된 단말기를 전량 새로운 갤럭시 노트7으로 교환하겠다는 대책을 9월 2일에 발표, 약 250만대를 회수했다(안전한 배터리를 사용한 제품은 아이콘으로 식별). 새로운 단말기는 ATL사의 배터리를 개량하여 탑재한 것으로 보여진다. 9월15일에는 미국 소비자제품안전위원회(Consumer Product Safety Commission: CPSC)가 갤럭시 노트7의 리콜을 발표하여, 캐나다・멕시코에서도 리콜을 실시하게 되었다. 갤럭시 노트7의 교환작업은 순조롭게 진행되었으며, 한국에서는 9월 19일부터, 미국은 9월 21일부터 새로운 단말기가 사용자에게로 전달되었다.

그 이후, 삼성전자에게 예기치 못한 사태가 발생했다. 2016년 10월 1일. 한국 서울시에서 새로 교환한 갤럭시 노트7가 발화하는 사고가 발생. 중국에서도 새로워진 갤럭시 노트7의 발화사고가 잇따라 일어났다. 삼성전자는 10월 2일부터 한국산업기술시험원에 발화 원인 분석을 의뢰. 10월5일, 한국산업기술시험원은「2차배터리의 결손에 의한 발화의 흔적은 없으며, 외부충격 또는 배터리가 눌려진 흔적이 있었다」라고 발표했다.

그러나, 문제는 더욱 커진다. 2016년 10월 4일에도 미국 켄터키 주(州)의 공항에서 승객이 탑승 중이던 사우스웨스트(Southwest) 항공 여객기안에서 승객의 새로 교환한 갤럭시 노트7에서 연기가 나는 사고가 발생하여, 승객 전원이 대피하는 소동이 있었다. 이 사고로, 미국연방항공청과 미국소비자제품안전위원회가 갤럭시 노트7의 발화원인에 대한 조사에 들어갔다.

2016년 10월 7일이후에도 타이베이(台北)시, 미국 미네소타 주, 버지니아 주, 텍사스 주 등에서 새로운 갤럭시 노트7의 발화사건이 발생. 10월9일, 미국 AT&T사, 미국T-Mobile US 등의 이동통신사는 갤럭시 노트7의 판매와 교환을 중단했다. 

2010년 10월 10일, 삼성전자는 미국 사이트에「갤럭시 노트7의 판매 및 교환을 중단한다」라고 올리고, 한국증권거래소에는「갤럭시 노트7의 생산량을 조정한다」라고 고지했다. 10월 11일에는 한국 사이트에도「갤럭시 노트7의 판매 및 교환을 잠정적으로 중단한다」라고 밝혔다. 한국 미디어는「사실상의 단종」으로 보도하고, 삼성전자 또한 이것을 부인하지 않았다.

-- 불량률은 24ppm --
삼성전자는 발화사고에 대해서 최초로 공개한 9월2일 시점에서, 전세계에서 35건의 연소사고가 발생했다고 공표, 불량률은 24ppm으로 공식 발표했다. 삼성전자는 10월 13일에, 9월15일의 1차 리콜 분량을 포함하여, 당사가 미국에서 총 약190만대를 출하하여, 96건의 과열사고를 접수했다고 했다. 그 중에서, 1차 리콜 이후의 단말기 사고가 23건, 발화사고가 13건에 달한다.

삼성전자는 갤럭시 노트7의 생산중지 이후, 현시점(2016년 11월7일시점)까지, 발화사고의 원인을 발표하지 않고 있다. 9월2일 시점에서, 당사는 발화원인을 배터리 셀에 있다고 말했다. 그러나, 문제가 된 배터리를 교환한 후에도 발화사고가 일어나고 배터리 셀과는 다른 곳에서 발화가 되었다는 사례까지 보고되면서, 복수의 원인이 겹쳐, 발화에 이르렀을 수도 있다는 견해에 힘이 실리고 있다.

구체적으로 생각할 수 있는 원인은, 크게 2가지로 보여진다.
먼저, (1) 배터리 자체의 불량, (2) 충전기 및 환경온도 등의 외부요인에 의한 영향이다.

-- 대용량・대전류・고전압으로 과부화 --
먼저, 적어도 무엇인가에 불량이 있었다고 의심되는 것이 (1) 2차배터리이다. 성(省)스페이스화(化)를 노리면서 배터리 수명을 늘리기 위해, 소형, 박(薄)형, 대용량화, 급속충전에 대응하기 위한 고(高)전압화 등으로, 2차배터리의 충·방전 조건은 까다로워질 수 밖에 없다.　스마트폰에서 사용되는 리튬이온 2차배터리는 원래, 발화의 가능성이 있으며, 대용량화・대전류화・고전압화가 진행되면, 기본적으로는 발화의 위험성이 높아지는 경향이 있다.

갤럭시 노트7은「iPone」을 넘어뜨리는 것을 목표로, 삼성전자가 만반의 준비를 하여 투입한 하이앤드(High-end) 스마트폰이다. 배터리에 대하여 엄격한 조건을 충족시킨 단말기임에는 틀림이 없다. 실제, 갤럭시노트7의 경합기종으로, 외형도 거의 비슷한 미국 애플사의「iPhone 7 Plus」의 배터리 용량이 2,900mAh인것에 비해, 갤럭시노트7은 3,500mAh로 크다.

다시 말해, 대용량화를 위해, 충전전압이 4.4V로 높으며, 소위 말하는「고전압 셀」을 탑재하고 있기 때문에, 충전할 때 배터리에 과부하가 걸리게 되는 것은 확실하다. 그러나, ‘삼성전자에게 있어서 전례가 없을 정도로 비약적인 사양의 단말기였을까?’ 라고 생각했을 때, 의문이 든다. 2015년 8월에 발매한 전(前)기종「갤럭시노트5」에 대해서는 방수, 방진기능의 추가 및 배터리용량의 추가와 같은 변화가 있었지만, 2016년 3월 발매의「갤럭시 S7엣지」와는 단말기의 사양에 거의 차이가 없기 때문이다.

-- 실적・경험부족의 탓일까? --
「단말기의 사양이 비슷해도, 기종이 다를 경우, 실제는 완전히 다른 배터리를 채용하는 사례는 적지 않다. 따라서, 갤럭시 노트7에 실적이 떨어지는 배터리를 탑재했을 가능성이 있다」라고 말하는 것은 전(前)배터리 기술자이다. 스마트폰 용의 전용배터리로는 기종마다 전극 세퍼레이터(Separator) 등의 재료나 두께를 바꿔서 신규로 셀을 설계하는 경우가 많다고 한다. 실적이 떨어지는 만큼, 안전성이 저하되는 것은 인정하지 않을 수 없다.

또한, 어느 배터리 컨설턴트는「삼성전자는 라미네이트(Laminate) 배터리의 경험이 비교적 적다」라고 지적한다. 삼선전자는 적어도 2014년 발매의 갤럭시 S5나 갤럭시 노트4까지 각형배터리를 채용하고 있었던 것이 이 의견을 뒷받침해 준다.

금번 갤럭시 노트7에 사용된 것은, 적층형 라미네이트형 배터리로 보여진다. 라미네이트 형은 소형・경량화하기 쉬우며, 한편으로는 변형이 잘되며, 충격에 약하다. 라미네이트 파우치의 끝단을 접어 넣을 때나 개체 안에 탑재할 때, 내부의 전극이 변형되어 라미네이트 파우치에 접촉되었던지, 세퍼레이터를 뚫어버려서 내부에 합선이 되면 발화되기 쉬워진다. 더욱이, 금번의 제품으로는 폴리머(Polymer) 배터리가 아니고, 전해액을 사용한 배터리를 사용한 것으로 사료되며, 게다가 충격에도 약할 가능성이 있다.

-- 라미네이트의 설계불비(設計不備)를 지적 --
사고의 조사에 관여한 정부기관의 국가기술표준원은「라미네이트 파우치 설계불비를 지적했다고 한다. 배터리의 모서리(각)에 해당하는 부분을 둥글게 한 설계사양이 삼성전자로부터 확실하게 제시되지 않았기 때문에, 삼성 SDI사가 배터리의 모서리를 더 많이 둥글게 설계한 것이 예상을 틀어지게 했다는 견해이다. 이렇게 되면, 부극부분과 라미네이터 파우치 사이에 공간이 너무 작아서, 전극의 변형을 초래해, 그 결과로써 노출된 정극기재(基材)가 세퍼레이터를 뚫고 나와 정극과 부극이 합선되었을 가능성이 있다는 것이다.

단, 이 주장에는 회의적인 의견도 있다. 「정극기재가 노출된 구조는 일반 스마트폰용 배터리는 아니다. 또한, 라미네이트형은 조립 시에 다소 변형할 것을 예상하며, 그래도 안전할 수 있게 설계하는 것이 일반적이다」(배터리 컨설턴트).

그렇다면, 어떤 배터리 불량의 가능성이 있는 것일까? 본지의 취재를 통하여 새롭게 떠오른 것은 검사에서 불량이 안 될 정도의 아주 미세한「Burr(금속이 압력의 작용으로 눌리면서 밀려나와 용착부 둘레에 응고한 것)」의 존재이다. 「4.4V 등의 고전압 충전에서는, 충전 중에 정극소자가 팽창하는 현상이 일어나기 쉽다」(前 배터리기술자). 고전압 셀 등의 배터리에서는 일반적으로 이런 소자의 팽창을 막을 대책이 시행되고 있으나. 「팽창된 전극이 세퍼레이터를 압박하여, 작은 Burr로 인해 합선」(배터리 컨설턴트) 되었을 가능성도 부인할 수 없다.

또는,「과충전에 가까운 상태로 충전됨으로써, 설계의 불비와 더불어, 리튬이 석출하여 침상의 펜톨라이트(폭약)가 생성되며, 충·방전을 되풀이하면서 커지게 되어 합선을 일으키는 경우도 생각할 수 있다」(배터리 컨설턴트). 일반적으로는 고강도의 세퍼레이터를 사용하는 등으로 내부 합선을 막지만,「이번에는 대용량, 대전류의 사양을 추구한 결과, 얇은 세퍼레이트 등, 비교적 시장실적이 부족한 재료를 사용했을 가능성이 있다」(배터리 제어회로계 기술자). 이러한 악조건들이 겹치면서, 발화의 가능성이 높아졌다고 할 수 있다.

또한, 이런 발화는 충전 중에 일어나는 것이 일반적이다. 「방전 중에 불이 났다는 사례는, 아마도 그 전의 충전 시에 변형 등이 일어났고, 그 이후의 방전 시에 합선 및 발화가 일어났을 가능성이 크다」(배터리 컨설턴트).

-- 과부하를 부르는 급속충전 --
본지가 취재한 기술자들이 강하게 의심의 눈을 돌린 것이 (2) 외부요인이다. 특히, 배터리의 과부하를 가져오는 급속충전 시의 충전전압 및 충전전류, 환경온도 등의 조건이 삼성전자의 예상을 뛰어 넘어버린 가능성이 크다.

예를 들어, 충전에 사용되는 USB에는, 스마트폰의 대전류화나 고전압화에 대응하는 새로운 규격이 계속해서 등장하고 있다. 갤럭시노트7이 급속충전 가능한 규격으로써 채용한「USB Type-C」에서는 Super Speed USB Gen2 및 USB PD2.0을 포함해, 특히 공급이 가능한 전력모드가 많다. 「USB규격에 적합하지 않는 단말・충전기・케이블과의 조합이 다양한 형태로 존재하기 때문에, 경우에 따라 충전이 안 되는 사태가 일어나기도 한다」(USB인증 기술자).

기본적으로는 기기의 제조사 측에서「의심스럽다면 충전하지 않는다」라는 생각으로 탑재하는 경우가 많지만, 특히 정품이 아닌 제3자(Third-party) 제품의 충전기 등에는 사양을 초과한 대전류를 공급하는 경우가 간혹 있다고 한다. 실제로, 발화했다는 갤럭시 노트7의 단말기의 사진에는, 정품이 아닌 USB케이블로 접속시킨 사례가 있다.

또한, 충전 시의 환경온도도 스마트폰 케이스 등의 영향으로 상승되기 쉬운 경향이 있다. 「발열하는 모바일 배터리와 밀착시켜 충전하면서, 열이 빠져나가기 힘든 케이스 안에 스마트폰을 넣는 사람도 있다. 이런 사용법은 발화 리스크를 높일 가능성이 크다」(前 배터리기술자). 사용자들에게 스마트폰 제조사가 적절하다고 생각하는 충전조건을 지키도록 유도하는 것은 매우 어려우며, 급속 충전의 필요성에 대응하면서, 안전성까지 확보하기에는 어려움이 따른다.

발화를 일으키는 본질적인 이유 중 하나가 급속충전 때문이라는 생각은, 1차 리콜 후의 삼성전자의 대응에서도 알 수가 있다.

갤럭시 노트7은 충전용 IC와는 별도로, 어플리케이션 프로세서 등으로부터 충전조건을 바꿀 수 있는 기능이 있다. 1차 리콜 시, 삼성전자는 교환전의 단말기에 대하여, 충전용량을 최대 60%로 제한하도록 단말기의 펌웨어(Firmware)를 바꿔 씀으로써, 완전충전을 피하는 대책을 세웠다. 「갤럭시 노트7에서는 CCCV(정전류 정전압)방식의 충전용 IC를 사용하여, 급속충전을 하고 있었던 모양이다」(배터리제어회로계 기술자). 리튬이온 2차배터리에서는 3.0V~4.2V로 충전하는 것이 일반적이나, 높은 충전전압을 가능하게 한「고전압 셀」에서는, 4.2V이상의 전압을 추가할 수 있어서, 오래 충전할 수 있다. 높은 충전전압으로 만충전(滿充電) 할 경우, 발화의 가능성이 높아지기 때문에, 긴급 대응책으로써 충전용량의 저감이라는 조치를 취했을 것이다.

--회로이상의 가능성은? --
(1)과 (2)에 의한 복합적인 요인이 계기가 되었다고 해도, 배터리에는 충전확보회로 및 충전제어회로가 있어서, 이들이 적절하게 기능하면 발화를 막을 가능성은 있다. 충전확보회로는 배터리 팩의 내부에 있다. 충전확보회로로 감시하고 있는 것은, 과충전・과방전・과전류 및 온도 등으로, 이상을 감지하면 전류로를 차단한다.

그러나, 이번 갤럭시 노트7의 경우, 이 충전확보회로가 제대로 기능을 하지 못했다는 지적이 있다. 배터리의 불량과 부적절한 급속충전에 의하여, 몸체 안에 열 폭주가 일어났음에도 불구하고, 충전확보회로로 그 이상고온 상태를 제대로 검출해 내지 못했을 가능성이 크다. 온도를 측정하는 서미스터(Thermistor)가 탑재되어 있는 것은 충전확보회로기판 위에 있을 경우가 대부분이며, 주로 측정 가능한 온도는「배터리 셀의 태브(Tab) 근처의 온도나, 배선에서 전해지는 열에 의한 온도」(前 배터리기술자)로 한정되어 있다.

따라서, 충전확보회로에 온도센서가 있어도, 몸체 안에 발열인자를 감지 못 할 가능성이 높다. 「몸체 안이 국소적으로 고온이 되었다고 해도, 그것을 검출해 내지 못하고 급속충전을 계속하여 그 결과, 열 폭주 할 가능성이 있다」(배터리 제어회로계 기술자). 또한, 내부합선으로 한꺼번에 불이 붙는 경우는, 비록 고온을 감지하여, 전류로를 차단했다고 하더라도, 이미 발생한 발화는 막을 수 없다.

그 외에, 충전제어회로의 이상이 발하의 원인이 되었다는 지적도 일부에서 나오고 있다. 「좁은 공간에 와이어레스 충전용 코일이나 배터리를 내장시켰기 때문에, 코일에 강전계가 더해져서, 서지(Surge)에 의해, 중전회로가 고장나기 쉽게 되어있다. 따라서, 전류제어 또는 전압제어가 불가능해져, 과충전이라는 오작동도 생각해 볼 수 있다」(전지설계기술자).

-- 안전성을 경시하는 풍조도 원인 --
스마트폰이나 리튬이온 2차배터리에서는 대용량화 등의 사용자의 Needs를 우선시하여, 기기의 개발기간에 쫓기다 보면, 엄격한 안전성시험까지 신경을 쓰지 못하는 상황이 될 수도 있다. 「예를 들어, 내부합선을 예상한 못을 박는 실험은, 합선이 도달하지 못할 가능성도 있는 리튬 편(片)주입시험으로 바뀌었다. 배터리의 내열성에 대해서도, 이전에는 150°C・3시간에서 발화・파손되지 않는 것을 제조업체에 요구하는 국내 대형 이동통신업체가 있었으나, 지금은 전기용품안전법(PSE)에 따라, 130°C・10시간에서 발화・파손되지 않는다면 문제가 없다라는 분위기가 되어있다」(배터리 컨설턴트).

한국정부기관에 의한 조사를 포함하여, 갤럭시 노트7의 발화원인은 아직 규명되지 않았다(2016년 11월 7일 현재). 다만, 사용자의 Needs를 우선시하는 풍조에서 생각했을 때, 이번 갤럭시 노트7의 발화사고는 다른 단말기업체에게 있어서, 더 이상 남의 얘기가 아니다. 「동일한 사고가 타사의 스마트폰에서 발생하더라도 이상할 것이 없다」(前 배터리기술자)는 얘기이다. 기기업체나 부품업체의 기술자는 지금이야말로 갤럭시 노트7의 발화사고를 교훈으로 삼아, 기기의 안전성확보의 중요성을 새롭게 재검토할 때가 왔다고 말할 수 있다.

   -- 끝 --